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成铁工程文化活动楼预应力技术的设计研究

作者:LunWen 来源:中华论文网-免费论文下载 加入时间:2005-9-20

[摘 要] 通过工程实例,系统阐述了无粘结预应力混凝土结构设计中的若干技术问题。结果表明这种设计经济合理、综合效果显著。可供类似工程设计参考。
[关键词] 结构设计;预应力混凝土;无粘结预应力
DESGN AND STUDY 0F PRESTRESSED CONCRETE TECHNOLOGY
FOR CHENGDU RAILwAY CONSTRUCTION CULTURE
AND ENTERTANMENT BUILDING
SHI Jina—ping YU Fu-zhen
(The Survey and Design Institute of Chengdu Railway Bureau,610081)
[Abstract] To provide a design method for similar projects,a systematic exposition of some technological problems for unbonded prestressed concrete structure is made through a practical project design.The results show that this design is reasonable and remarkable in comprehensive economical benefit.
[Key wordb] Structural design;Prestressed concrete;Unbonded prestressing
1 工程概况
本工程位于成都市西北桥成都铁路局工程总公司办公楼的侧面。主体建筑A区平面尺寸分别:30.8m×25.2m,柱网开间为7m,跨度分别为5.1、9.3、7.2m 。建筑总高度地上23.7m,地上7层,1、2层为客房,3、4层为办公用房,5层为健身、棋牌活动用房,6层为档案室,7层为大会议室,地下室用于停放自行车。
A区主体结构型式为纵向框架、横向板柱结构,后张高效预应力混凝土楼屋盖,预应力筋采用无粘结筋。L~7层楼面设预应力纵向框架扁梁,每跨跨度为7m,断面尺寸为1200mm×400mm、800mm×400mm、600mm×400mm三种,楼面板为无粘结预应力板,厚度为230mm,板跨度分别为5.1、9.3、7.2m,屋面为无粘结预应力正交网格梁,柱网为21.6m×2lm,梁断面为300mm×1100mm,网格尺寸为2.33m×2.40mm,屋面板为普通钢筋混凝土板,板厚为80mm。
3 结构方案的研究
3.1 初设阶段
由于建设方要求建筑总高度不超过24m及楼层总数不少于7层,若采用普通混凝土结构,跨度为9.3m的框架梁断面高度需900mm左右,3至6层层高为3.3m的无隔墙大间空仅为3.3-0.9=2.4m,房间净空很低,效果很差,7层大会议室更无法使用,建筑方案不能实施。预应力结构由于能有效地降低结构构件截面高度,增加室内净空,起到在净空不变的情况下降低层高的作用。经多方案比选论证,最后决定采用高效预应力混凝土结构。
3.2 施设阶段
3.2.1 预应力结构的选择
目前普遍采用的预应力结构有无梁楼盖和有梁楼盖两种。无梁楼盖有其顶棚平整、降低层高、易于布设管道等优点,但由于该工程跨度分别为5.1m、9.3m、7.2m,跨度变化较大,楼板与框架柱节点处的较大弯矩使得楼板的抗冲切较难满足。若为了满足楼板的抗冲切要求,需在柱顶加板托,这样在柱顶局部范围出现一个“墩子”,影响不准备设吊顶的客房美观。因此,决定采用有梁楼盖。
3.2.2 楼盖预应力框架梁的设置
由于客房管道井的影响,不能在横向设预应力框架扁梁,因此该工程仅纵向设预应力框架扁梁,跨度为7m,5.1m、9.3m、7.2m跨度的板将荷载直接传给纵向预应力框架扁梁,横向的风、地震等水平荷载在楼板内引起的内力,主要由配置在柱上预应力板带内的普通钢筋承受。
3.2.3 该结构方案优点
① 由于采用了预应力结构,降低了结构的断面高度,在保证室内净空的条件下,有效地降低楼层高度,同样总建筑高度下比采用普通混凝土结构多修了一层(采用普通混凝土结构由于净空原因只能修六层),为建设方多争取了一层的建筑面积,取得了很好的效益。
②荷载传力路线为:楼板一纵向预应力框架梁一框架柱一基础,结构受力明确,无多余的传力过程。
③由于仅纵向设预应力框架梁,给暖通、给排水、电力管道(线)布置提供了有利条件,减少了暖通、给排水、电力专业的设计难度。
4 框架结构计算
4.1 基本参数
①抗震设防7度,抗震等级三级
②场地土类别:二类场地土
③混凝土:C40
④楼、屋面活荷载标准值(kN/㎡)
健身、棋牌活动室:2, 档案室: 3
不上人屋面:0.7, 上人屋面:1.5
客房、办公室、大会议室:2
⑤梁、板裂缝控制等级为二级
⑥结构内力计算方法:采用PKPM程序进行计算
4.2 框架梁参数
梁设计以D轴六层框架为例,梁内布置14根d=15mm无粘预应力钢绞线(?ptk=1570N/m㎡),支座及跨中均布置8Ф22普通钢筋。无粘结筋张拉控制应力бcon=0.7×1570=1100N/m㎡,扣除全部损失后预应力筋的有效应力бpe=814N/m㎡。扁梁截面1200×400,翼缘板宽取2300,截面积A=0.733㎡,惯性矩T=0.00871m4,形心位置 y1=0.17lm,y2=0.229m 。
4.3 结构内力分析结果
荷载作用下弯矩包络图(见图1),预应力等效荷载综合弯矩图(见图2)。
4.4 框架梁正截面抗裂度验算
4.4.1 混凝土受拉区容许拉应力
荷载短期效应组合0.6γ? tk =2580kN/㎡,荷载长期效应组合0.25γ? tk=1070kN/㎡
4.4.2 支座截面抗裂度
Npe=1584kN,预应力综合弯矩Mp=272kN—m
荷载短期效应组合弯矩Ms=497.5kN-m,σsc=(Ms—Mp)y1/I—Npe/A=2266<2580kN/㎡
荷载长期效应组合弯矩M1=439.8kN—m,σ1c=(M1一Mp)y1/I—Npe/A=l133kN/㎡(相对误差为(1133—1070)/1070=5.9%,可)
4.4.3 跨中截面抗裂度
Npe=1584kN,Mp=179.6kN—m,Ms=265.3kN—m,σsc=92<2580kN/㎡M1=234.4kN—m,σ1c=—718kN/㎡(受压)
4.5 框架梁正截面强度验算
4.5.1无粘筋应力设计值
hp=400—60=340mm
配筋指标βo=(Ap6pe十A s?y)/(?cmbh p)
=0.288<0.45
应力设计值6p=[σpe十(500—770βo)]/1.2
=910N/m㎡
4.5.2 支座截面强度验算
次弯矩Mc=96.2kN—m,设计弯矩M’=M—Mc=544.8kN—m,χ=(A pбp十A s?y—A s?y)/(b?㎝)=69mm,承载力Mu=85l>M’=544.8kN—m,开裂弯矩 Mcr=Mp十(Npe/A十γ?tk)W=600KN—m<mu=85lkN—m(可)
4.5.3 跨中裁面强度验算
Mc=—88kN—m,M’=411。5kN—m,χ=4lmm,Mu=851>M’=411.5,Mcr=425<Mu=85l(可)
5楼面板设计
楼板设计以五层楼面为例,板厚h=230mm,预应力筋采用7Ф?5平行钢丝束(?ptk=1570N/m㎡),间距为260mm,6con=0.7×1570=1100N/m㎡,扣除全部损失后有效应力6pe=901N/m㎡。普通钢筋(二级钢)板底通长Ф12@200板面支座负筋Ф12@150。
5.1 计算简图及预应力筋布置(见图3)
(a)板竖向荷载计算简图,kPa;(b)板恒载弯矩图,kN·m; ?扳活载弯矩包络图,kN·m;(d)板预应力筋布置;(e)综合弯矩图,kN·m;(f)板活载弯矩包络固,kN·m
板截面参数:A=0.805m2,I=0.00355m4
5.2 板内力分析结果(见图3)
为方便内力组合及配筋计算,在对楼面恒活载内力分析时,板计算宽度取3.5m,与地震荷载内力分析时等宽度。‘
5.3 板正截面抗裂度验算
5.3.1 混凝土受拉区容许应力同梁
5.3.2 截面抗裂度
Ap=1871mm2,Npe=1686kN,M活=54.1kN—m’预应力综合弯矩与恒载弯矩相互抵消,则
бsc=My/I-Npe/A=—342kN/㎡(受压),б1c=0.4My/I—Npe/A=—1393kN/㎡(受压)
5.4 正截面强度验算(无地震组台)
5.4.1 无粘结筋应力设计值(见表1)
平均6p=(бpl十бp2十бp3十бp4)/5=958N/mm2
5.4.2 支座截面强度验算
Mc=35.9kN—m,M’=254.9kN—m,χ=35mm
Mn=484>M’=254.9,Mcr=376<Mu=484(可)
5.4.3 跨中截面强度验算(见表2)
5.5 正截面强度验算(有地震组合)
5.5.1 边支座
χ=12.4mm,Mu=125>M’=71。8kN—mб
5.5.2 中支座
M’=236Kn-m<无地震组合的M’=254.9)
承载力验算不起控制作用。
6 结语
6.1 预应力度与抗裂度
根据目前的国内设计规范,无粘结预应力混凝土结构一般按二级抗裂度控制。预应力度偏高,有时反向应力较高往往不利于早期裂缝控制,也不利于抗震耗能。如果为了降低预应力度而增加普通钢筋,则总用钢量增大,总体上看不经济,表明大多情况下楼盖结构按二级抗裂度设计偏严。建议适当放宽混凝土受拉允许应力,例如:拉应力限制系数бcts由0.6放宽为0.8~1.0,αctl由0.25放宽为0.4~0.5。这方面还有待进一步研究。
6.2 实践与展望
本工程于1998年上半年完成设计,1999年底竣工。实践证明这种结构具有节约钢材、减轻自重、改善建筑使用功能和结构受力性能、增大室内空间、提高容积率、综合经济效果好等优点,值得大力推广。可以相信,21世纪的预应力技术将更加普及和全面发展!
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